專利名稱：一種激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型裝置屬于金屬連鑄技術中的設備制造領域，特別適用鑄造過程中提高鑄件內(nèi)部等軸晶率和促進金屬液形核的晶核發(fā)射裝置。
背景技術：
在現(xiàn)有金屬的鑄造及連鑄生產(chǎn)技術中，由于選分結(jié)晶所造成的鑄件和連鑄坯中心質(zhì)量降低，尤其是高合金鋼、高碳鋼鑄件及連鑄坯所產(chǎn)生的中心偏析、中心縮孔、中心疏松等問題是影響連鑄坯質(zhì)量的核心問題。為了解決上述問題，現(xiàn)有技術的研究方向有兩種一是電磁攪拌技術；二是超聲振動破碎枝晶技術。連鑄結(jié)晶器用電磁攪拌技術，是在連鑄結(jié)晶器的外側(cè)放置電磁感應線圈或攪拌器，當有交變電流通過時就會產(chǎn)生電磁場，由該磁場穿透結(jié)晶器使液態(tài)金屬產(chǎn)生感生電流，此時的液態(tài)金屬載流體在磁場作用下所產(chǎn)生的電磁力強迫液態(tài)金屬進行對流。由于有對流的液態(tài)金屬不斷地沖刷、折斷和破碎樹枝晶，使這些碎晶將成為以后等軸晶生長的核心，從而達到了電磁攪拌器提高鑄坯等軸晶率的目的。
電磁攪拌器在使用過程中所存在的缺點是，電磁攪拌對鑄坯件容易生成“白亮帶”或負偏析帶而造成鑄坯件性能的不均勻性；電磁攪拌器穿透金屬坯殼所需的能量大，當隨著連鑄坯殼的增厚，則電磁場穿透金屬坯殼所損失的能量明顯增大，電磁攪拌效果降低。
采用超聲振動連鑄技術也是可以改善金屬鑄件在凝固時的組織效果，由于超聲振動在凝固初期的金屬液中有破碎已凝固的坯殼前沿枝晶的作用，可使其成為以后形核的核心。但缺點是超聲波發(fā)射源與凝固殼的距離只有很近才能有效果；超聲振動只能作用于破碎已凝固坯殼，不能作用于未凝固的金屬液；對于高熔點金屬鋼液用超聲波發(fā)射源裝置的保護與使用壽命的難度大。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提出一種適用于連鑄技術的，可作用在金屬液的凝固過程中，能提高金屬鑄件和連鑄坯內(nèi)部的等軸晶率，減少金屬鑄件和連鑄坯中心縮孔、疏松和偏析的激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置。
根據(jù)本實用新型的目的，我們所提出的激發(fā)金屬液形核的基本原理和結(jié)晶形核用的晶核發(fā)射裝置基本工作現(xiàn)狀。該裝置的使用是將具有冷卻能力的晶核發(fā)射器前端浸沒在金屬液體中，該晶核發(fā)射器在振動發(fā)生源的驅(qū)動下做高頻小振幅振動；當金屬液體接觸到晶核發(fā)射器的前端時，由于冷卻作用，金屬液體在晶核發(fā)射器振動表層迅速形核；在這些初生晶核尚未形成連續(xù)的坯殼前，它們將隨著晶核發(fā)射器的高頻振動被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成在金屬凝固過程中的大量等軸晶核心。根據(jù)上述工作原理，我們所提出的激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置的特征在于，該裝置是由以下三部分組成中部是通有冷卻介質(zhì)8的具有內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動器1，在振動器的外層表面有涂鍍隔熱層2，在振動器上裝有振動發(fā)生源3。該裝置的其他特征還在于由振動器1和振動發(fā)生源3組成晶核發(fā)射器裝置的振動頻率為100-9000赫茲。該晶核發(fā)生器的水平振幅為0.001-1mm。該晶核發(fā)生器前端浸入金屬液9中的深度為10-150mm。在該晶核發(fā)射器裝置中振動器1的外層表面裝有隔熱層2。該晶核發(fā)射器裝置是將工作區(qū)的下段5浸入到金屬液9中以激發(fā)金屬液形核(見圖8)；也可以將工作區(qū)的下段5和部分上段4一起浸入到金屬液8中工作(見圖9)。
本實用新型裝置的另外特征是將浸入在金屬液中的工作區(qū)可分為兩段(見圖)，在該裝置中振動器1的工作區(qū)上段4涂鍍有涂鍍隔熱層2或裝有良好的隔熱層2，其目的是防止金屬液9在具有內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動器1上凝固；該晶核發(fā)射器裝置工作區(qū)的下段5均為上大下小的結(jié)構(gòu)形狀，還可以是球冠體、圓錐體、圓臺體、球臺體中的任意一種結(jié)構(gòu)形狀。當其浸入金屬液9中時，金屬液在晶核發(fā)射器下段5的表面上迅速形成初生晶核，由于晶核發(fā)射器下段5的斜面效果和晶核發(fā)射器的高頻小振幅振動作用，使得初生晶核被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心，而無法在晶核發(fā)射器表面形成連續(xù)生長的坯殼。
該晶核發(fā)射器工作區(qū)下段5做成上大下小的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的斜面效果是當冷卻強度很大的晶核發(fā)射器浸入金屬液9中時，在冷卻的作用下，金屬液9將會在晶核發(fā)射器表面迅速形核，甚至形成連續(xù)的坯殼。當金屬液在晶核發(fā)射器表面沒有形成連續(xù)坯殼時，晶核發(fā)射器的斜面將直接把晶核發(fā)射到金屬液9中。當晶核發(fā)射器冷卻強度較大時，金屬液甚至會在晶核發(fā)射器表面形成凝固殼，凝殼在冷卻的作用下，會產(chǎn)生向心的收縮力，由于該向心力方向是指向水平方向的中心，該力可以分解成兩個力，一是沿斜面向下驅(qū)使凝殼脫落的下滑力；二是垂直與斜面的正壓力，正壓力與摩擦系數(shù)的乘積就是阻礙凝殼剝落的摩擦阻力。在較光滑的金屬表面，當晶核發(fā)射器表面其工作區(qū)的下段的曲面或園切面與垂直線的夾角a足夠小時，如小于70°，已形成的坯殼也將在晶核發(fā)射器高頻振動的作用下脫落進入金屬液9中，形成以后金屬凝固的核心。
為了使金屬液9在晶核發(fā)射器工作區(qū)的下段5表面迅速形核，其下段5表面可以沒有涂鍍層，但為了提高晶核發(fā)射器的抗熱侵蝕能力和提高使用壽命，也可以涂鍍以具有導熱和防侵蝕的保護層7(見圖7)。另外，為提高晶核發(fā)射器的使用壽命，其工作區(qū)的下段5可以做成內(nèi)外套裝的形式，其外套6與內(nèi)層振動器1為牢固聯(lián)接(見圖6)，內(nèi)外套間靠相互接觸傳遞熱量。這樣的結(jié)構(gòu)保證了工作區(qū)下段5在浸入到金屬液9中將被侵蝕或損壞時，可以迅速更換外套6后繼續(xù)使用，而不影響晶核發(fā)射器的整體使用壽命。


附圖1為激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射器裝置；附圖2晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為圓錐體；附圖3晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為圓臺體；附圖4晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為球臺體；附圖5晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為圓臺體和球冠體的組合；附圖6晶核發(fā)射器工作區(qū)下段做成內(nèi)外套裝的結(jié)構(gòu)示意；附圖7晶核發(fā)射器工作區(qū)下段涂鍍有導熱和防蝕的保護層；附圖8將晶核發(fā)射器工作區(qū)下段浸入金屬液中激發(fā)形核示意；附圖9將晶核發(fā)射器部分浸入金屬液中激發(fā)形核示意。
在附圖中，序號1為內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動器；2為涂鍍隔熱層；3為振動發(fā)生源；4為晶核發(fā)射器工作區(qū)上段；5為晶核發(fā)射器工作區(qū)下段；6為可更換的外套；7為涂鍍的導熱防蝕保護層；8為冷卻介質(zhì)；9為金屬液。
權利要求1.一種激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置，其特征在于該裝置是由以下三部分組成中部是通有冷卻介質(zhì)(8)的具有內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動器(1)，在振動器的外層表面有涂鍍隔熱層(2)，在振動器上裝有振動發(fā)生源(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征還在于由該裝置中振動器(1)和振動發(fā)生源(3)組成晶核發(fā)射器的振動頻率為100-9000赫茲。
3.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于由該裝置中振動器(1)和振動發(fā)生源(3)組成晶核發(fā)生器的水平振幅為0.001-1mm。
4.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該晶核發(fā)生器前端浸入金屬液(9)中的深度為10-150mm。
5.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征是在該裝置中振動器(1)的工作區(qū)上段(4)處裝有良好的隔熱層(2)。
6.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該晶核發(fā)射器裝置工作區(qū)的下段(5)均為上大下小的形狀。
7.根據(jù)權利要求1或6所述晶核發(fā)射裝置，其特征是在該裝置工作區(qū)的下段(5)可以是球冠體、圓錐體、圓臺體、球臺體中的任意一種。
8.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該裝置工作區(qū)的下段(5)還可以涂鍍具有導熱和防侵蝕的保護材料(7)。
9.根據(jù)權利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該裝置工作區(qū)的下段(5)可以做成內(nèi)外套裝的形式，其外套(6)與內(nèi)層振動器(1)為牢固聯(lián)接。
專利摘要本實用新型屬于金屬鑄造領域，是一種凝固過程中激發(fā)金屬液形核的裝置。其浸入在金屬液的工作區(qū)分為兩段，上段的涂鍍層有良好的隔熱性能，以防止金屬液在其上凝固；下段為上大下小的結(jié)構(gòu)，并具有冷卻能力。當其浸入金屬液中時，金屬液在晶核發(fā)射器工作區(qū)下段的表面上迅速形成初生晶核，由于下段的斜面效果和晶核發(fā)射器的高頻小振幅振動作用，使得初生晶核被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心，且無法在晶核發(fā)射器表面形成連續(xù)生長的坯殼。
文檔編號C22F3/00GK2848415SQ20052010610
公開日2006年12月20日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權日2005年8月19日
發(fā)明者張慧, 趙沛, 王玫, 那賢昭, 陶紅標, 岳爾斌 申請人:鋼鐵研究總院